作成： 1997/10/31 井上 雅好
データ番号 ：020077
植物におけるイオンビームの照射効果
目的 ：植物育種へのイオンビームの利用
放射線の種別 ：軽イオン,重イオン,ガンマ線,電子
放射線源 ：AVFサイクロトロン,3MVタンデム静電加速器,ガンマ線(60Co)照射装置
利用施設名 ：日本原子力研究所高崎研究所イオン照射研究施設、大阪府立大学先端科学研究所放射線科学研究センター
照射条件 ：花粉および種子への大気中照射(室温)
応用分野 ：植物育種
概要 ：
イオンビームは、特異なエネルギー付与パターンをもっており、X線やγ線よりも高い線エネルギー付与(LET)をもっている。また、打ち込み深度を制御できるといった特性もある。そのため、従来用いられてきた放射線とは異なる生物効果がイオンビームにより誘起されるのではないかと考えられており、特定の局部領域での遺伝的変異、欠失型突然変異あるいは新規な突然変異の誘起、さらには細胞加工操作へのイオンビームの利用が期待されている。
近年、様々なイオンを大気中で生物材料に照射できる施設が設置されてきたことと相俟って、新しい放射線源としてのイオンビームの生物効果についての研究が拡がりつつある。植物分野においてもイオンビームの突然変異誘起効果や変異スペクトラムの分析、交雑不親和性打破へのイオンビーム照射花粉の利用などに関する研究が進められている。
詳細説明 ：
イオンの種類や照射条件により、イオンビームの特性は大きく異なる。例えば、6MeV HeイオンのLETは150keV/μm、深度は32μmであるのに対して、15MeV Cイオンでは1000keV/μm、6μmであり、50MeV Heイオンでは15keV/μm、1500μmである。したがって、植物材料(種子、花粉、組織、細胞など)にイオンビームを照射する際には、照射材料の大きさや照射したい部位の深さを考慮して、イオン種や照射条件を選択する必要がある。
タバコの完熟花粉に1000Gyの50MeV Heイオン、460MeV Arイオンおよび15MeV Cイオンあるいは1400Gyの6MeV Heイオンを照射した(表1)。これら照射花粉の受粉で得られた種子の発芽率は、それぞれ、0%、0%、36.2%および16.9%で、発芽種子の生存率は6MeV Heイオンでは42.9%、Cイオンでは69.8%となり、照射線量あるいは打ち込み深度に対応した生物効果が認められた。生存個体では、各種の染色体異常、草型や花型の異常、花粉稔性や種子稔性の低下が認められ、それらの自殖翌代の幼苗における形態突然変異体の頻度は、6MeV Heイオン区で5.7×10-3、15MeV Cイオン区で7.9×10-3であった。
表1 Properties of ion beams used.（原論文1より引用）
-----------------------------------------------
Ion Energy(MeV) LET(keV/μm) Range(μm)
-----------------------------------------------
4He2+ 6 150 32
4He2+ 50 15 1500
40Ar13+ 460 1800 50
12C4+ 15 1000 6
-----------------------------------------------
さらに、表2に示したイオンをシロイヌナズナ種子に照射した時の生存率でみた照射効果にはLET依存性があり、生物効果比(RBE)は、LETの増加に伴って増大し、250KeV/μmで最大となった。また、Cイオンと電子線の照射次代での特定の遺伝子(tt,gl,hy)についての突然変異誘発率は、Cイオンで電子線の5〜10倍高い値であった。しかも、アントシアニンを種皮のみにスポット状に沈着する変異体や紫外線抵抗性変異体も誘起されている。これらの結果から、植物においても、イオン照射により他の放射線と同程度あるいはそれ以上の生物効果が得られると思われるが、広範な材料における基礎データの積み重ねが必要である。
表2 電子線および重イオンの物理的特性（原論文2より引用）
------------------------------------------------
Incident LET* Range**
Radiation Energy keV/μm mm
MeV/u
------------------------------------------------
e − 0.2 9.0
He 12.1 17 1.5
He 4.1 66 0.3
C 17.4 110 1.0
Ar 95.0 250 7.0
Ne 11.0 550 0.3
------------------------------------------------
* mean LET in seed (0.25 mm thickness), estimated
as water equivalent
**estimated as water equivalent
野生種をはじめとして遠緑色物が保持している有用な遺伝子を栽培種に導入しようとする場合、交雑不親和性が大きな障害となる。非常に局部的な領域における照射効果が期待でき、打ち込み深度を制御できるイオンビームを利用した交雑不親和性の打破に関する研究が進められている。
タバコ栽培種Nicotiana tabacum L.とN.gossei Dominの間では強い交雑不親和性のために、通常の交雑による種間雑種の作出が非常に困難である。N.gossei×N.tabacumの交雑では多数の稔実種子が得られるが、それら種子の幼苗は雑種致死するため、成熟種間雑種を得ることができない。この交雑組合わせにおいて、800GyのHeイオンを照射したN.tabacumの花粉を用いると、稔実さく率が2.3%、種子発芽率が92.5%、幼苗生存率が5.4%で、成熟雑種植物の獲得率は1.1×10-3であった。一方、100Gyのγ線を照射した花粉を用いた場合の成熟雑種獲得率は3.7×10-5であった。さらに、低線量のイオンを照射した花粉を用いたとき(表3)、種間雑種獲得率が10-2のレベルまで増加することも認められている。
表3 Effect of ion beam on seed germination, seedling viablity and hybrid production.（原論文5より引用）
----------------------------------------------------------------------------------------
Ion Energy Dose No.of seeds Gemination No.of viable Survival Hybrid production
(MeV) (Gy) sown rate(%) plants rate(%)* rate(%)**
----------------------------------------------------------------------------------------
He2+ 6 2 500 28.4 10 7.0 2.0
5 500 15.6 6 7.7 1.2
10 500 19.4 6 6.2 1.2
25 2 0.0 0 0.0 0.0
100 10 0.0 0 0.0 0.0
----------------------------------------------------------------------------------------
He2+ 100 10 500 21.0 18 17.1 3.6
----------------------------------------------------------------------------------------
Ne8+ 350 1 500 38.8 11 5.7 2.2
5 500 28.6 9 6.3 1.8
10 500 9.0 8 17.8 1.6
25 300 0.0 0 0.0 0.0
----------------------------------------------------------------------------------------
C5+ 18 5 300 45.0 2 1.5 0.7
10 400 52.8 2 0.9 0.5
25 400 55.8 9 4.0 2.3
100 300 0.0 0 0.0 0.0
----------------------------------------------------------------------------------------
* No.of survival plants/No.of seeds germinated×100.
** No.of hybrid plants/No.of seeds sown×100.
さらに、イオン照射によって特異的に誘起されると思われる現象も認められている。それは、C、He、NeおよびArイオンを照射したタバコ完熟花粉を維持培地においた時、花粉外殻が開裂して花粉細胞が培地に漏出してくるもの(漏出花粉細胞)で、イオン照射によって花粉外殻に生じた物理的損傷によるものと考えられている。この現象は、打ち込み深度が比較的浅い15MeV Cイオンで顕著であった。
コメント ：
植物におけるイオンビームの照射効果についての本格的な研究は始まったばかりである。他の放射線とは異なる生物効果も明らかにされつつあるが、より広範な植物種でのデータが必要である。
原論文１ Data source 1：
Pollen as a transporter of mutations induced by ion beams in Nicotiana tabacum
H.Nishimura, M.Inoue, A.Tanaka* and H.Watanabe*
Laboratory of Plant Breeding Science, Faculty of Agriculture, Kyoto Prefecture University, Kyoto 606 Japan, *Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Research Institute
Canadian Journal of Botany Vol.75,1261〜1266.1997.
原論文２ Data source 2：
植物育種におけるイオンビームの利用
田野 茂光
日本原子力研究所 先端基礎研究センター
日本アイソトープ・放射線総合会議論文集 Vol.22,488〜494, 1996
原論文３ Data source 3：
植物育種へのイオンビーム照射花粉の利用
井上 雅好
京都府立大学農学部
原子力工業 第42巻 第12号、57〜61, 1996.
原論文４ Data source 4：
イオンビーム照射花粉を用いた植物の品種改良
井上 雅好
京都府立大学農学部
放射線と産業 No.69, 57〜59, 1996.
原論文５ Data source 5：
イオンビームによる突然変異の誘起と形質転換植物の作出
井上 雅好、山下 孝生、西村 浩幸、谷安 啓行、長谷 純宏、中村 明夫*、渡辺 宏、
田中 淳**、田野 茂光***
京都府立大学農学部、*大阪府立大学、**原研高崎研究所、***原研先端基礎研究センター
原研施設利用共同研究成果報告書 平成7年度、332〜336, 1995.
キーワード：タバコ、シロイヌナズナ、イオンビーム、突然変異、交雑不親和性、種間雑種、生物効果比、線エネルギー付与、漏出花粉細胞
Nicotiana tabacum, Nicotiana gossei, Arabidopsis thaliana, ion beam, mutation, cross-incompatibility, interspecific hybrid, Relative Biological Effectiveness, Linear Energy Transfer, leaky pollen
分類コード：020501,020101